Тема 32. Основи статистичної фізики.

Основи статистичної фізики (2 год.)

Мета: Розглянути теорію газів з погляду статфізики.

План

1. Фізика газів. Основні статистичні поняття_.

2. Статистичний і термо­динамічний методи.

3. Ймовірність. Фазовий простір. Число станів в просторі імпульсів .

Література: [1], [3], [5], [7], [9], [10] – основна; [1] – додаткова.

Статистичний метод

Статистичний метод вивчення фізичних явищ ґрунтується на моделюванні внутрішньої структури речовини. Середовище розглядають як деяку фізичну систему, що складається з великого числа молекул (атомів) із заданими властивостями. Визначення макроскопічних характеристик і закономірностей за заданими мікроскопічними властивостями середовища є основним завданням цього методу.

Так, для сукупності молекул, що рухаються хаотично, можна знайти певні значення швидкості, енергії, імпульсу, які властиві більшості молекул. Такі значення величин називають найбільш імовірними. Можна визначити середні значення швидкості молекул, їхні енергії, вільного пробігу молекул та ін., які єхарактеристиками руху сукупності молекул. За цими характеристиками можна визначити такі параметри макроскопічної системи, як тиск, абсолютна температура тощо.

Статистичний метод дає змогу в уявному хаосі випадкових явищ встановлювати закономірності, які справджуються для цілого ансамблю явищ, а не для кожного елемента окремо, як у динамічній закономірності. Встановлені так взаємозв'язки називають статистичними закономірностями.

Ці закономірності втрачають зміст із переходом до систем із малим числом частинок.

Термодинамічний метод

Метод описування процесу, який не враховує мікроскопічну структуру речовини, а розглядає її як суцільне середовище, називають термодинамічним.

Феноменологічний метод дає змогу встановити загальні співвідношення між параметрами, що характеризують явища загалом. Феноменологічні закони мають дуже загальний характер, а роль конкретного середовища враховують застосуванням коефіцієнтів, які визначають безпосередньо з досліду. За допомогою цього методу, зокрема, було встановлено закони ідеальних і реальних газів.

Феноменологічний метод дослідження застосовують у термодинаміці — розділі фізики, який для різних явищ природи, пов'язаних із тепловими ефектами, вивчає умови перетворення енергії з одного виду на інший і кількісно характеризує ці перетворення. В основу термодинаміки покладено три фундаментальні закони, встановлені на основі узагальнення великого числа спостережень і дослідів над досить великими (макроскопічними) тілами.

Особливо ефективним виявилося застосування феноменологічного методу в теплотехніці, газодинаміці, ракетній техніці тощо.

Розглядаючи властивості тіл та їхні зміни з двох різних позицій — мікроскопічної і макроскопічної, молекулярна фізика і термодинаміка доповнюють одна одну.

Досягнення

Досягнення молекулярної фізики широко використовують в інших науках про природу. З її успіхами, зокрема, нерозривно пов'язаний розвиток хімії і біології. В процесі розвитку в молекулярній фізиці виділилися самостійні розділи, наприклад: фізична хімія, фізична кінетика, молекулярна біологія, фізика твердого тіла.

Застосування понять молекулярної фізики

Основні поняття молекулярної фізики використовують у деяких спеціальних галузях науки, зокрема, у фізиці металів, полімерів і плазми, кристалофізиці, фізико-хімічній механіці.

Молекулярна фізика є науковою основою сучасного матеріалознавства, вакуумної технології, порошкової металургії, холодильної техніки та ін.

Значним успіхом сучасної фізики став синтез штучного алмазу та інших надтвердих матеріалів.

Досягнення молекулярної фізики і термодинаміки покладено в основу створення сучасних теплових двигунів, холодильних устав, апаратів для скраплення газів, хімічних іхарчових виробництв; вони сприяють подальшому розвитку метеорології.